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生物膜法處理系統的生物相特征與活性污泥工藝有所不同，主要表現在微生物種類和分布方面。
一般來說，由于水質呈逐級變化的趨勢和微生物生長環境條件的改善，生物膜系統存在的微生物種類和數量均比活性污泥工藝多，食物鏈長且較為復雜，尤其是絲狀菌、原生動物和后生動物種類增加較多，而且還有一定比例的厭氧菌和兼性菌。在日光照射到的部位能夠出現藻類，還能夠出現濾池蠅這樣的昆蟲類生物。在分布方面的特點是沿生物膜厚度或進水流向，微生物的種類和數量呈現出較大差異。在多級處理的一級或下向流填料層的上部，生物膜往往以菌膠團細菌為主，膜厚度亦較大（2-3mm）；隨著級數的增加或下向流填料層的下部，由于其接觸到的水質已經經過部分處理，生物膜中會逐漸出現較多的絲狀菌、原生動物和后生動物；微生物的種類不斷增多，但生物膜的厚度卻在不斷減薄(1-2mm)。生物膜的表層的微生物都是好氧性的，而隨著厚度的加大，微生物逐漸變成兼性乃至厭氧性。
生物膜固著在濾料或填料上，生物固體停留時間SRT（泥齡）較長，因此能夠生長世代時間長、增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。在生物膜上還可能出現大量絲狀菌，但不會出現污泥膨脹。和活性污泥法相比，生物膜上的生物中動物性營養者比例較大，微型動物的存活率也較高，能夠棲息高營養水平生物，在捕食性纖毛蟲、輪蟲類、線蟲類之上還棲息著寡毛類和昆蟲。因此，生物膜上的食物鏈要比活性污泥中的食物鏈長，這也是生物膜法產生的污泥量少于活性污泥法的原因。
由于廢水水質的不同，每級或每層填料上的特征微生物也會不同，即水質的變化會引起生物膜中微生物種類和數量的變化。在進水濃度增高時，可以觀察到原有層次的特征性微生物下移的現象，即原先在前級或上層填料上的微生物可在后級或下層填料上出現。因此，通過生物相觀察發現這樣類似的變化來推斷廢水濃度或污泥負荷的變化。
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